1. 简介

SKP技术的信号强度和提取敏感数据的能力依赖于很多因素。主要的影响因素是样品和探针的功函数差、探针尖端尺寸、探针振幅、探针与样品表面的距离。用户可以假设电化学工作站M470（或M370）的环境噪声和周围环境一直保持不变，这样，信号强度主要取决于上面提到的几个参数。

任何测试都需要好的信噪比，即使是基于统计技术。在某些点，当噪声超过信号，测量就变得不确定。为了避免这种情况，SKP470（或SKP370）用户希望在所有实验中信号强度最大化，就需要考虑上面参数的影响。

增强信噪比的一个方法是确保探针与样品的距离很小，并在整个测量区域中保持恒定的距离。这就有必要获取整个扫描区域的形貌信息，当探针扫描样品时，命令探针按照样品的形貌移动。有许多不同的技术都能提供样品的形貌信息：

（1） 非触式微区形貌测试系统（OSP）

（2） 间歇接触扫描电化学显微镜（ic-SECM）

（3） 电容式高度测试技术（CHM，SKP）

（4） 电容式跟踪测试技术（CTM，SKP）

本文主要介绍了M470（或M370）SKP技术中的CHM和CTM技术。

2. CHM和CTM形貌测量的原理

这两种技术的原理都是测量探针尖端与样品之间产生的电容。在探针与样品之间施加一个电压，优于样品和探针之间产生电容，一些电荷被储存，关系式：

Q = CV                                                         (1)

式中，Q是电荷，C是电容，V是施加的电位。

电容C取决于系统的物理参数：

C = ε_r ε₀ ( A / d )                                                  (2)

式中，A为平行电容板的面积（探针面积）；d是电容板间的距离；ε_r和ε₀是相对介电常数和真空介电常数。

如果探针按正弦波振动，距离d也按照正弦波振动，系统电容也随之变化。

C(t) = ε_r ε₀ ( A / d(t) )                                              (3)

式中，t为时间。

所以，存储的电荷也随电容的改变而改变：

Q(t) = C(t)V                                                     (4)

系统电荷改变，一定有电流，就是通过测量这个电流来确定探针与样品的距离d。计算校准常数k，用于计算探针到样品的距离：

I(t) = kd(t)                                                      (5)

在CHM技术中，连续扫描或者单步扫描实验中的每个点上，探针保持固定的z轴位置。用校准提取探针与样品的距离。

在CTM技术中，实验开始时，距离d就被设置为一个期望的探针到样品的距离。当探针到下一个位置，如果测量的探针到样品的距离与期望值不同，探针高度就重新设定，直到达到理想值。测量探针高度位置的移动（用100nm光学编码器），保存为形貌。实际上，在整个扫描过程中探针与样品一直保持最初的距离。

两种方法的优缺点列于表1中。

表1 CHM和CTM技术的优缺点

1. 用CHM解除形貌的影响

图1和2分别为CHM和SKP面扫描结果，扫描24小时腐蚀实验后的镀锌钢样品的表面磨痕处。磨痕和腐蚀都使样品变形，任何SKP测试都需要解除形貌影响来获得表面信息。

图1 24小时腐蚀实验后的镀锌钢样品的表面磨痕处的CHM形貌

图1中CHM实验结果为探针到样品的距离，表明样品左边有一个约100µm深的圆形磨痕。磨痕的峰值在138µm处，此处探针到样品的距离最远。

图2中SKP实验结果是通过高度追踪解除图1中形貌的影响而提取的SKP数据。探针到样品的距离保持40µm左右。用户可以在没有形貌干扰的情况下提取表面相对功函数测量信息。

图2 24小时腐蚀实验后的镀锌钢样品的表面磨痕处的SKP面扫描结果

（解除图1形貌干扰）

如果表面形貌的差异超过CHM实际测量能力，那么可以选择CTM技术在非常大的范围内获得同样的精确度，虽然速率稍慢。

1. 用CTM解除形貌的影响

图3是一个轻微腐蚀的金属模型，其形貌远远超出CHM技术的测量能力。采用CTM技术在36mm²区域内每100µm记录精确的形貌。图4是CTM扫描结果，从边缘到中心约700µm，其形貌差异使得标准SKP测试不可能实现。

图3 开尔文探针非常接近（~200µm）弯曲金属模型。

（实际CTM和SKP数据是在探针距离样品约40µm的位置测量的。）

图4 轻微腐蚀的金属模型的CTM实验结果

图5是尝试用标准SKP扫描图4中的区域，没有解除形貌的影响。很明显，样品的结构影响测量：当探针远离样品时，储存在探针-空气-样品界面的电荷是可以忽略的，导致放大的只是环境噪声。实际上，探针在扫描中心区域是足够靠近样品的，这部分信息应该可以代表样品表面特征。而在探针远离样品的区域测得的结果掩盖了好的数据。

图5 弯曲金属模型表面不解除形貌干扰的SKP结果

为了对比，图6是图5相同区域解除形貌干扰后的SKP测量结果，唯一的差别是探针靠近样品（平均约40µm），CTM数据用于在整个36mm²范围内确保探针保持这个距离。可以看出，这个方法成功消除了弯曲对SKP测试的影响。

图6 同样区域内用CTM数据导入SKP高度追踪扫描结果

1. 结论

M470（或M370）软件中用高度追踪设备可以获得表面功函数的更精确的测定。通过解除形貌的影响而在扫描区域内获得最大信噪比。执行高度追踪的能力完全依赖于测量和使用高度数据的能力。

如上所示，可以用CHM和CTM技术获得这些数据。CHM更快，但是只能用于形貌变化在100µm范围内的情况。对于形貌变化更大的情况，可以用较慢的CTM技术。

值得注意的是，也可以通过其他技术获得形貌数据，比如非触式微区形貌测试系统（OSP）或者扫描电化学显微镜（SECM）的恒流技术。一旦获得形貌，就可以用来解除任何其他扫描探针实验中形貌的影响。比如：SECM、SKP、SVP（SVET）、SDS。